DE2320245A1 - LIQUID CONTAINER - Google Patents
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Description
7506-73/Sch/Ro.
RCA 65,393
US-Ser.No. 246,525
Filed: April 24, 19727506-73 / Sch / Ro.
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US Ser. No. 246.525
Filed: April 24, 1972
RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.)RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.)
Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeitstank oder -behälter, insbesondere für flüssigen Kraftstoff und ein Druckmittel in einem Raumfahrzeug. Ein solcher Behälter erfordert eine Vorrichtung, welche den flüssigen Kraftstoff in eine Auslaßöffnung drückt, wenn er entnommen und benötigt wird. Der Behälter muß so konstruiert sein, daß der flüssige Kraftstoff frei von gasförmigem Druckmittel ist, und zwar unabhängig von der räumlichen Lage des Behälters in einer Umgebung niedriger oder gar keiner Schwerkraft.The invention relates to a liquid tank or container, in particular for liquid fuel and a pressure medium in a spacecraft. Such a container requires a device which feeds the liquid fuel into an outlet port presses when it is removed and needed. The container must be designed to hold the liquid fuel is free of gaseous pressure medium, regardless of the spatial location of the container in an environment lower or no gravity at all.
Beim gegenwärtigen Stand der Raumfahrttechnologie sieht man Hilfsantriebssysteme zur Lagesteuerung und zum Stationärhalten des Raumfahrzeugs vor, welche Drucke in der Größenordnung von 2 1/4 kp oder weniger erzeugen. Diese Systeme müssen einen zuverlässigen, gleichförmigen, wirksamen und genau gesteuerten Ausstoß des Treibstoffes aus einem Vorratstank gewährleisten, ohne daß ein Druckgas sich mit dem austretenden Kraftstoff vermischt, weil dann nämlich falsche und unpassende Drücke auftreten würden. Um die unerwünschten Wirkungen einerIn the current state of aerospace technology, one sees auxiliary propulsion systems for attitude control and for holding stationary of the spacecraft, which produce pressures on the order of 2 1/4 kp or less. These systems must ensure a reliable, uniform, effective and precisely controlled discharge of the fuel from a storage tank, without a pressurized gas mixing with the escaping fuel, because then namely wrong and inappropriate Pressures would occur. To avoid the unwanted effects of a
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Vermischung inerten gasförmigen Druckmittels (beispielsweise Stickstoff) mit einem Treibstoff zu vermeiden, verwenden die derzeitigen aktiven Auslaßsysteme Metallmembranen, elastomere Blasen, Kolben und zahlreiche andere Mittel zur Durchführung und Aufrechterhaltung einer physikalischen Trennung der beiden fluiden Medien. Um die Medien im getrennten Zustand zu erhalten, hat man auch durchbrochene Bauteile benutzt, wie dies beispielsweise im US-Patent 3 486 302 beschrieben ist. Derartige Systeme sind jedoch komplex und schwierig herzustellen und erlauben nicht die vollständige Ausnutzung des im Behälter enthaltenen Treibstoffes wegen der Schwierigkeit, den Treibstoff aus der Austrittsöffnung herauszutreiben.Mixing of inert gaseous pressure medium (for example To avoid nitrogen) with a fuel, current active exhaust systems use metal diaphragms, elastomeric ones Bubbles, pistons, and numerous other means of effecting and maintaining physical separation of the two fluid media. In order to keep the media in the separated state, openwork components have also been used, such as this one, for example in U.S. Patent 3,486,302. Such systems however, they are complex and difficult to manufacture and do not allow the fuel contained in the container to be fully utilized because of the difficulty in getting the fuel out of the vent to drive out.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Systeme eine Vermischung des Treibstoffes mit dem Treibgas zu unterbinden und gleichzeitig den gespeicherten Treibstoff restlos auszunutzen. Die Aufgabe der Erfindung wird durch die in ,den Ansprüchen angegebenen Mittel gelöst.The invention is based on the object of mixing the fuel while avoiding the disadvantages of the known systems with the propellant gas and at the same time fully utilize the stored fuel. The task of The invention is achieved by the means specified in the claims.
Die Erfindung verwendet einen Speicherbehälter, aus dem eines von zwei fluiden Medien bis zur vollständigen Entnahme kontinuierlich entnommen werden kann, wenn es benötigt wird. Die Vorrichtung enthält einen Speicherbehälter mit einer inneren Oberfläche, einer ersten öffnung ..zum Einfüllen der fluiden Medien, und einer zweiten öffnung zur Entnahme des ausgewählten fluiden Mediums aus dem Behälter. Ferner ist eine Einrichtung vorgesehen, welche für einen kontinuierlichen Flußweg des ausgewählten fluiden Mediums aus der zweiten öffnung sorgt und ein längliches Bauteil im Behälter umfaßt, welches neben der inneren Oberfläche angeordnet ist und sich auf die zweite öffnung zu erstreckt. Dieses längliche Bauteil wirkt mit der inneren Oberfläche und dem ausgewählten fluiden Medium so zusammen, daß für dieses kontinuierlicher Flußweg gebildet wird.The invention uses a storage container from which one of two fluid media can be continuously withdrawn until it is completely withdrawn, if required. The device includes a storage container with an interior Surface, a first opening .. for filling in the fluids Media, and a second opening for removing the selected fluid medium from the container. Furthermore is a facility provided, which ensures a continuous flow path of the selected fluid medium from the second opening and a comprises elongated component in the container, which is arranged next to the inner surface and towards the second opening extends. This elongated component interacts with the inner surface and the selected fluid medium so that for this continuous flow path is formed.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand der Darstellungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail below with reference to the representations of an exemplary embodiment. It shows
Fig. 1 eine perspektivische Schnittansicht eines kugelförmig ausgebildeten Tanks nach der Erfindung;Fig. 1 is a perspective sectional view of a spherical tank according to the invention;
Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des in Fig. 1 dargestellten Tanks;Fig. 2 is a partially sectioned side view of the tank shown in Fig. 1;
Fig. 3 einen Schnitt von oben auf den in Fig. 2 dargestellten Tank, welcher auch die Form der Flüssigkeitsmenisken, welche sich nach der Erfindung ausbilden, zeigt und3 shows a section from above of the tank shown in FIG. 2, which also shows the shape of the liquid menisci which train according to the invention, shows and
Fig. 4 einen vergrößerten Teilschnitt eines Meniskus, der sich durch Zusammenwirken des fluiden Mediums mit einer Rippe im kugelförmigen Tank nach der Erfindung ausbildet.4 shows an enlarged partial section of a meniscus which is formed by the interaction of the fluid medium with a rib forms in the spherical tank according to the invention.
Die Erfindung basiert auf dem Prinzip der Kapillarwirkung fluider Medien. In der Praxis sind mindestens zwei nicht mischbare fluide Medien und ein nach der Erfindung ausgebildeter Vorratstank vorgesehen. Die fluiden Medien bilden durch Oberflächenspannung skr äf te eine Zwischenfläche aus. Bekannterweise entsteht eine Zwischenfläche durch intermolekulare Kohäsivkräfte, die an der diskreten Grenze zwischen zwei Substanzen und/oder zwei Phasen derselben Substanz auftritt. Die Oberflächenspannung zweier nicht mischbaren fluiden Medien, wie eines Gases und einer Flüssigkeit, wirken wie eine dünne elastische Membrane praktisch gleicher Spannung an der Oberfläche des fluiden Mediums mit der größten Kohäsivmolekularkraft, also der Flüssigkeit.The invention is based on the principle of capillary action fluid media. In practice there are at least two immiscible fluid media and one according to the invention Storage tank provided. The fluid media form through surface tension sketched an intermediate surface. As is well known, an interface is created by intermolecular cohesive forces, which occurs at the discrete boundary between two substances and / or two phases of the same substance. The surface tension two immiscible fluid media, such as a gas and a liquid, act like a thin elastic membrane practically the same tension on the surface of the fluid medium with the greatest cohesive molecular force, i.e. the liquid.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung für eine Umgebung mit geringem oder gar keinem Schwerefeld besteht in der Form eines kugelförmigen Speichertanks 10, der zwei fluide Medien enthält, eines in Form eines Gases und das andere in Form einer Flüssigkeit. Die Umgebung wird als mit niedrigem oder ohne Schwerefeld angesehen, wenn die statischen oder dynamischen Verhältnisse eines Systems relativ zu seinem sich bewegenden Trägerfahrzeug so behandelt werden können, als wenn tatsächlichA preferred embodiment of the invention for an environment with little or no gravitational field is in the form of a spherical storage tank 10, the two fluid Contains media, one in the form of a gas and the other in the form of a liquid. The environment is considered to be low or viewed without a gravitational field when the static or dynamic relationships of a system relative to its moving Carrier vehicle can be treated as if actually
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ein geringes Beschleunigungsfeld vorhanden wäre.there would be a small acceleration field.
Die Erfindung ist jedoch keineswegs auf Umgebungen mit geringem oder überhaupt ohne Schwerefeld beschränkt. Wie aus den nachfolgenden Erläuterungen hervorgeht, eignet sich die Erfindung zur Anwendung in jeglichem Beschleunigungsfeld vorausgesetzt, daß die benutzten fluiden Medien geeignet gewählte Dichten haben. Bei der bevorzugten Ausführungsform eliminiert das Schweresystem, dessen Gravitätskonstante klein oder null ist, die Wirkung des unterschiedlichen Gewichtes (Dichte) von Gas und Flüssigkeit. Bei Fehlen der Wirkung des unterschiedlichen Gewichtes der beiden fluiden Medien in einer Umgebung geringen Schwerefeldes oder durch die Verwendung ausgewählter relativer Dichten wird die Oberflächenspannung an der Trennfläche zwischen den fluiden Medien die vorherrschende Kraft, welche die beiden Medien orientiert und ihr Vermischen verhindert. Wenn die Medien in" dem erfindungsgemäßen Speichertank 10 erst einmal richtig orientiert sind, dann wirkt der Gasdruck so, daß er die Flüssigkeit aus dem Tank 10 zur Verteilung an einzelne Verbraucherstellen heraustreibt.However, the invention is in no way limited to environments with little or no gravitational field. How out as can be seen from the following explanations, the invention is suitable for use in any acceleration field provided that the fluid media used have suitably chosen densities. Eliminated in the preferred embodiment the gravity system, the constant of gravity of which is small or zero, the effect of the different weight (density) of Gas and liquid. In the absence of the effect of the different weights of the two fluid media in one environment low gravitational field or through the use of selected relative densities, the surface tension at the interface between the fluid media is the prevailing force which orients the two media and prevents them from mixing. When the media in "the storage tank according to the invention 10 are once properly oriented, then the gas pressure acts so that it takes the liquid from the tank 10 for distribution drives out to individual consumer points.
Fig. i zeigt in perspektivischer Darstellung einen Vorratstank 10 in Form einer hohlen kugelförmigen Wandung mit einer Innenwand 11 gleichförmiger Dicke und einem inneren Aufbau, wie er nachfolgend beschrieben wird. Der Tank und sein innerer Aufbau bestehen vorzugsweise aus Metall wie nichtrostendem Stahl. Am oberen Teil des Tanks befindet sich eine zylindrische Einlaßöffnung 26, durch welche die fluiden Medien in das Innere des Tanks 10 gelangen können. Am unteren Teil ist der kugelförmige Tank mit einer Auslaßöffnung 16 für die bevorzugte Entnahme nur einer der beiden fluiden Medien vorgesehen. Zwar sind die Einlaßöffnung 26 und die Auslaßöffnung vorzugsweise von zylindrischer Form, jedoch können sie auch in irgendeiner anderen geeigneten Form oder Gestalt ausgebildet sein. Die öffnungen 26 und 16 liegen sich diametral gegenüber entsprechend der gewünschten Flußrichtung der fluiden Medien vom Eingang zum Ausgang, jedoch können die öffnungen auch anFig. I shows a perspective view of a storage tank 10 in the form of a hollow spherical wall with an inner wall 11 of uniform thickness and an internal structure, as described below. The tank and his internal structure are preferably made of metal such as stainless Stole. At the top of the tank is a cylindrical inlet opening 26 through which the fluid media can get into the interior of the tank 10. At the lower part is the spherical tank with an outlet opening 16 for the preferred removal of only one of the two fluid media provided. Although the inlet port 26 and the outlet port preferably cylindrical in shape, but they can be formed in any other suitable shape or form be. The openings 26 and 16 are diametrically opposite one another according to the desired direction of flow of the fluid media from the entrance to the exit, however, the openings can also open
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anderen Stellen vorgesehen sein, wenn dies nötig ist. Auch können mehr als eine Einlaßöffnung 26 oder Auslaßöffnung 16 vorgesehen sein. Im Falle zusätzlicher Auslaßöffnungen kann eine entsprechende Abwandlung des inneren Aufbaus erforderlich sein. Wie eine solche Abwandlungf welche das Vorsehen mehrerer öffnungen erlaubt s aussehen kann e ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung.other bodies if necessary. More than one inlet opening 26 or outlet opening 16 can also be provided. In the case of additional outlet openings, a corresponding modification of the internal structure may be necessary. How such a modification f which providing a plurality of openings allows s appearance can e obtained from the following description.
Der innere Aufbau besteht aus einer Konfiguration einer Mehrzahl erster und zweiter Elemente 12 bzw. 14 und einer Auslaßöffnung 16 von zylindrischer Form. Die Auslaßöffnung 16 ist mit einem durchbrochenen Material t geeigneter Weise in Form eines nichtrostenden. Stahlsiebes, bedeckt. Die ersten und zweiten Elemente 12 und 14 haben ebene Oberflächen- die als Prallflächen dienen und mit der Innenwand 11 Verbindungswege zwischen den Elementen und zwischen Einlaßöffnung 26 und Auslaßöffnung für das fluide Medium bildenβ Die ersten und zweiten Elemente 12 und 14 werden nachfolgend als Primärprallbleche 12 bzw. Sekundärprallbleche 14 bezeichnet.The internal structure consists of a configuration of a plurality of first and second members 12 and 14, respectively, and an outlet port 16 of cylindrical shape. The outlet opening 16 is made with a perforated material t suitably in the form of a stainless. Steel sieve, covered. The first and second elements 12 and 14 have planar surface which serve as baffles and define with the inner wall 11 connecting paths between the elements and between inlet port 26 and outlet port for the fluid medium β The first and second elements 12 and 14 are referred to as primary baffles 12 or secondary baffles 14 designated.
Die Primärprallbleche 12 bestehen vorzugsweise aus vier symmetrischen, in gleichen Abständen abgeflachten ebenen Oberflächen einer sich erweiternden Form. Jedes Primärprallblech ragt in radialer Richtung von der Innenwand 11 weg und befindet sich vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der inneren Oberfläche der Behälterwand. Die Prallbleche 12 können auch so angeordnet sein, daß sie die Innenfläche II berühren, vorzugsweise bilden sie mit ihr jedoch einen engen Spalt. Dieser Spalt erleichtert die Herstellung und erlaubt Formänderungen, wie sie bei extremen Umgebungstemperatüränderungen auftreten können. Die Primärprallbleche 12 verlaufen entlang der Innenwand der kugelförmigen Behälterwandung von der Einlaßöffnung 24 zur Auslaßöffnung 16 und laufen an den Enden der Achse, in welcher die Einlaßöffnung 26 und die Auslaßöffnung 16 liegen, zusammen. Die Breite (radiale Abmessung) und damit die Fläche der Oberseite jeder der Primärprallbleche 12 soll sich mit zunehmendem Umfangsabstand von der Einlaßöffnung 26 vergrößern, so daß sie ihre größ-The primary baffle plates 12 preferably consist of four symmetrical, equally spaced flat surfaces an expanding form. Each primary baffle protrudes in the radial direction away from the inner wall 11 and is located is preferably in close proximity to the inner surface of the container wall. The baffle plates 12 can also be arranged in this way be that they touch the inner surface II, preferably form however, they have a narrow gap with it. This gap facilitates the production and allows changes in shape, as is the case with extreme Ambient temperature changes can occur. The primary baffles 12 run along the inner wall of the spherical container wall from the inlet opening 24 to the outlet opening 16 and converge at the ends of the axis in which the inlet opening 26 and the outlet opening 16 lie. The width (radial dimension) and thus the area of the top of each of the primary baffle plates 12 should increase with increasing circumferential distance enlarge from the inlet opening 26 so that they have their largest
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te Oberseitenfläche in der Nähe der Auslaßöffnung 16 haben. Die zunehmende Breite jedes Prallbleches ist in Fig. 1 durch die radialen Linien 24 bzw. 22 veranschaulicht. Die Linie 24, welche sich näher an die Einlaßöffnung 26 befindet^ ist kürzer (die Prallbleche haben also eine geringere Breite! als die Linie 22 in der Nähe der Auslaßöffnung (wo die Prallbleche breiter sind). Jedes der Prallbleche ist von einer relativ dünnen Wandstärke,, jedoch kann diese Wandstärke mit irgendeiner praktischen Abmessung gewählt werden. Die Anzahl der Primärprallbleche 12 kann beliebig gewählt werden, je nach der Größe and Form des Tanks und nach der Art der verwendeten fluiden Medien.te top surface near the outlet port 16 have. The increasing width of each baffle is illustrated in FIG. 1 by the radial lines 24 and 22, respectively. The line 24, which is closer to the inlet opening 26, is shorter (so the baffles are smaller in width!) Than the line 22 near the outlet opening (where the baffles are wider). Each of the baffles is of a relatively thin wall thickness However, this wall thickness can be chosen with any practical dimension. The number of primary baffles 12 can be chosen arbitrarily , depending on the size and shape of the tank and on the type of fluid media used.
Die vier Primärprallbleche 12 sind vorzugsweise mit einem gelochten Material in Form eines geschlossenen Zylinders 18 verbunden, der sich an der Auslaßöffnung- 16 des Tanks befindet« Das gelochte Material wirkt als kapillare Gasbarriere gegenüber jedem mit der Flüssigkeit gemischten Gas. Der Siebzylinder 18 verhindert, daB mit der Flüssigkeit vermischtes Gas durch die ÄuslaSöffnung 16 aus dem Tank 10 herausgelangt -, so daß sichergestellt ist, daß nur gasbiasenfreie Flüssigkeit geliefert wird.The four primary baffles 12 are preferably connected to a perforated material in the form of a closed cylinder 18 which is located at the outlet opening 16 of the tank. The perforated material acts as a capillary gas barrier against any gas mixed with the liquid. The sieve cylinder 18 prevents gas mixed with the liquid from escaping through the outlet opening 16 from the tank 10 - so that it is ensured that only liquid free from gas bubbles is supplied.
Wenn der "Tank in einer kontrollierten Umgebung verwendet wird., so daß er keinen äußeren Beschleunigungen oder Vibrationen ausgesetzt ist (welche das Gas mit der Flüssigkeit vermischen könnten), dann würde auch eine einfache öffnung ohne eine siebförmige Abdeckung für die Auslaßöffnung 16 genügen.When the 'tank is used in a controlled environment is. so that he does not have any external accelerations or vibrations exposed (which mix the gas with the liquid could), then a simple opening without a screen-shaped cover for the outlet opening 16 would also suffice.
Als Teil des Innenaufbaus können weiterhin vier Sekundärprallbleche 14 vorgesehen sein. Ähnlich wie die Primärprallplatten oder Prallbleche 12 sind die Sekundärprallbleche 14 relativ dünn und haben ebene Oberflächen. Gemäß Fig. 1 ragen die Oberflächen der Prallbleche in radialer Richtung von der Achse 13, in welcher die Einlaßöffnung 26 und die Auslaßöffnung 16 liegen, weg. Die Sekundärprallbleche 14 sind in gleicher Weise mit dem Kapillarzylinder 18 verbunden und liegenAs part of the internal structure, four secondary baffles can still be used 14 may be provided. The secondary baffle plates 14 are similar to the primary baffle plates or baffle plates 12 relatively thin and have flat surfaces. According to FIG. 1, the surfaces of the baffle plates protrude in the radial direction from the Axis 13, in which the inlet opening 26 and the outlet opening 16 lie, away. The secondary baffles 14 are in connected in the same way to the capillary cylinder 18 and lie
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jeweils zwischen einem Paar benachbarter Primärprallbleche 12. Durch die Anordnung der Primärprallbleche 12 und der Sekundärprallbleche 14 an der Auslaßöffnung 16 werden acht Reservoire 15 für das fluide Medium gebildet, wie Fig. 3 am besten erkennen läßt, wobei sich die Auslaßöffnung 16 am Boden dieser Reservoirs befindet. Die Oberflächen dieser Prallbleche sind praktisch eben. Jedoch können sie gegebenenfalls auch gebogen oder anderweitig geformt sein, so daß sie die gewünschten Wege für das fluide Medium entlang den Verbindungsstellen der Innenwand 11 des Behälters 10 mit den Prallblechen 12 und 14 sowie mit deren Oberflächen bilden.each between a pair of adjacent primary baffle plates 12. By the arrangement of the primary baffle plates 12 and the secondary baffle plates 14, eight reservoirs 15 for the fluid medium are formed at the outlet opening 16, as best seen in FIG can, with the outlet opening 16 at the bottom of this Reservoir is located. The surfaces of these baffles are practically just. However, they can optionally also be bent or otherwise shaped so that they take the desired paths for the fluid medium along the connection points of the inner wall 11 of the container 10 with the baffle plates 12 and 14 and with their surfaces.
Der kugelförmige Behälter IO besteht vorzugsweise aus swei Halbkugeln, deren jede so geformt ist, daß die durch den Rand der Halbkugel gebildete Ebene die Achse 13 zwischen Einlaßöffnung 26 und Äuslaflöffnung 16 rechtwinklig schneidet. Jedes der Primärprallbleche 12 ist, beispielsweise durch Verschweißen, fest mit dem Kapillarzylinder 18 derart verbunden* daß sich die Prallbleche 12 In ihrer Länge radial von der Achse des Zylinders 18 weg erstrecken. Die Sekundärprallbleche 14 sind in gleicher Weise fest mit dem iylinder 18 verbunden. Die Prallblech-Zylinder-Anordnung 12, 14, 13 ist innerhalb einer der Halbkugsln durch Befestigung des KapillarZylinders an eine öffnung, beispielsweise der Auslaßöffnung 16, montiert. Die Praliblech-Zylinder-Anordnung 12, 140 13 ist ferner durch Anbringung wie Verschweißen jedes der Primärprallbleche 12 an der Innenfläche der Halbkugel wie an deren Kante befestigt. Die Kugel 10 wird dann durch geeignete Verbindung wie Schweißen oder dgl. ihrer beiden Halbkugeln längs ihres Randes gebildet.The spherical container IO preferably consists of two hemispheres, each of which is shaped so that the plane formed by the edge of the hemisphere intersects the axis 13 between the inlet opening 26 and the outer opening 16 at right angles. Each of the primary baffle plates 12 is firmly connected to the capillary cylinder 18, for example by welding, in such a way that the baffle plates 12 extend radially away from the axis of the cylinder 18 along their length. The secondary baffle plates 14 are firmly connected to the cylinder 18 in the same way. The baffle cylinder arrangement 12, 14, 13 is mounted inside one of the hemispheres by fastening the capillary cylinder to an opening, for example the outlet opening 16. The Praliblech-cylinder assembly 12, 14 0 13 12 as further secured by attachment such as welding of each of the primary baffle plates on the inner surface of the hemisphere at the edge thereof. The ball 10 is then formed by a suitable connection such as welding or the like. Its two hemispheres along its edge.
Im Betrieb enthält der Tank sswel fluide Medien, deren eines geeigneterweise gasförmiger Stickstoff ist und als Druckgas von etwa 21 kg/cm dient, während das andere Hydrazin sein kann, der als Treibstoff für das Raumfahrzeug dient. Beide Medien werden durch die Einlaßöffnung 26 in den Tank eingebracht. Herrscht nur eine geringe oder gar keine Schwerkraft, dann beeinflussen die relativen Dichten der Medien nicht die Lage oder Orientie-In operation, the tank sswel contains fluid media, one of which is suitably gaseous nitrogen and serves as a pressurized gas of about 21 kg / cm, while the other can be hydrazine, which serves as fuel for the spacecraft. Both media are introduced into the tank through inlet port 26. Prevails only little or no gravity, then the relative densities of the media do not affect the location or orientation
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rung der Flüssigkeit innerhalb der Kugel. ■tion of the liquid within the sphere. ■
Die Flüssigkeit sollte so gewählt sein, daß sie das -die Innenfläche 11.des Tankes 10 und die Prallbleche 12 und 14 bildende Material benetzt. Der Grad der Benetzfähigkeit einer bestimmten Flüssigkeit gegenüber einer bestimmten festen Oberfläche ist in der Technik durch den Benetzungswinkel Θ definiert, welcher derjenige Winkel ist, den die Oberfläche der Flüssigkeit mit der Oberfläche des festen Körpers bildet. Die meisten üblichen Treibstoffe benetzen C0<9O) die Oberfläche metallischer lanks mit ©inem Benetzungswinkel In der Nähe von"null.The liquid should be chosen so that it -the The inner surface 11 of the tank 10 and the material forming the baffle plates 12 and 14 are wetted. The degree of wettability of a certain liquid versus a certain solid surface is defined in technology by the wetting angle Θ, which is the angle which the surface of the liquid forms with the surface of the solid body. Most conventional fuels, C0 <90) wet the surface more metallic lanks with © inem wetting angle near "zero.
Bei einer bevoräugten Jkusführtmgsform wird der Tank zunächst teilweise mit der Flüssigkeit gefüllt? und anschließend wird das Druckgas eingelassen« Bei niedriger oder gar keiner Schwerkraft orientiert sich die Flüssigkeit innerhalb des Tanks nach dem Gesetz der minimalen Oberflächenenergie, Hierbei wirkt die Oberflächenspannung" der Flüssigkeit auf das Flüssigkeitsvplumen so ein, das sich eine Form ausbildete, su welcher eine minimale Oberflächenenergie benötigt wird.-Die Flüssigkeit orientiert sich im Tank 10 ia eine Lage und Form innerhalb eines gegebenen Bereiches des Tanks, bei welcher die Trennfläche zwischen Gas und Flüssigkeit möglichst klein ist. Wenn beispielsweise derjkugeiförmige Speichertank 10 nicht irgendwelche inneren Einbauten hätte, sondern nur seine kugelförmige Innenfläche 11? dann würde sich die Flüssigkeit als Hohlkugel ausbilden, welche eine kugelförmig© "Gasblase umschließt. Die Kugelform ist diejenige Form* bei welcher sich die minimale Trennfläche zwischen Gas und Flüssigkeit für ein vorgegebenes Flüssigkeitsvolumen ausbildet. ; In the case of a preferred form of execution, the tank is first partially filled with the liquid? and then the pressurized gas is let in «With low or no gravity, the liquid within the tank orients itself according to the law of the minimum surface energy Surface energy is required.-The liquid orients itself in the tank 10 generally in a position and shape within a given area of the tank in which the interface between gas and liquid is as small as possible spherical inner surface 11 - then the liquid would form as a hollow sphere which encloses a spherical gas bubble. The spherical shape is the shape * in which the minimum interface between gas and liquid is formed for a given volume of liquid. ;
Wird der Tank in einem Antriebssystem für ein Raumfahrzeug verwendet, dann muß der Treibstoff an der Auslaßöffnung 26 unabhängig von der jeweiligen Raumorientierung und unabhängig vom Volumen des restlichen Treibstoffes zur Verfügung stehen. Eine Beschreibung der verschiedenen Stufen oder Phasen der Abgabe des (flüssigen) Treibstoffes aus dem SpeichertankIf the tank is used in a propulsion system for a spacecraft, then the fuel must be at the outlet port 26 are available regardless of the respective spatial orientation and regardless of the volume of the remaining fuel stand. A description of the different stages or phases of the delivery of the (liquid) fuel from the storage tank
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unter Berücksichtigung der Wirkungen der sich verändernden Volumenanteile von Gas und Flüssigkeit verdeutlicht die Vorteile der hier beschriebenen Erfindung. Die gegenseitigen Wirkungen zwischen den fluiden Medien und den Oberflächen im Speichertank bewirken eine sehr wirksame Abgabe der Flüssigkeit.taking into account the effects of changing Volume fractions of gas and liquid illustrate the advantages of the invention described here. The mutual effects between the fluid media and the surfaces in the storage tank cause a very effective delivery of the liquid.
Die Form der Flüssigkeit innerhalb des Tanks verändert sich mit dem Fortschreiten der Abgabephasen der Flüssigkeit. Die Form der Trennfläche zwischen Gas und Flüssigkeit formt sich selbst auf der Oberfläche des inneren Aufbaus in Abhängigkeit von der Ausdehnung des Gases, wenn die Flüssigkeit aus dem Tank entnommen wird, als wenn die Trennfläche aus einer dünnen zusammenziehbaren Membrane gleichförmiger Spannung zwischen Flüssigkeit und Gas bestehen würde.The shape of the liquid inside the tank changed with the progress of the release phases of the liquid. The shape of the interface between gas and liquid forms self dependent on the surface of the inner structure on the expansion of the gas when the liquid is withdrawn from the tank than when the interface is from a thin, contractible membrane, there would be uniform tension between liquid and gas.
Bei der Betrachtung der Flüssigkeitsentnahme sei zuerst eine Phase untersucht, wo das Gasvolumen innerhalb des Tankes geringer als der Leerraum oder der innere freie Teil der Primärprallbleche 14 ist, d.h. wenn die Prallbleche vollständig von der Flüssigkeit bedeckt sind. In dieser Phase orientiert sich die Flüssigkeit unabhängig von der Wirkung der Prallbleche 12 und 14. unter diesen Verhältnissen nimmt die Flüssigkeit den Zustand geringster Oberflächenenergie an und umschließt eine kugelförmige Gasblase. In diesem Zustand ist ein ausreichendes Flüssigkeitsvolumen an der Ausgangsöffnung 16 verfügbar, so daß nur Flüssigkeit ohne Gasblasen unter dem Gasdruck aus dem Tank herausgetrieben wird.When considering the liquid withdrawal, a phase should first be examined where the volume of gas within the tank less than the void or inner free part of the primary baffles 14, i.e. when the baffles are complete are covered by the liquid. In this phase the liquid orients itself independently of the effect of the baffle plates 12 and 14. under these conditions the liquid assumes the state of lowest surface energy and encloses it a spherical gas bubble. In this state, a sufficient volume of liquid is available at the outlet opening 16, so that only liquid without gas bubbles is expelled from the tank under the gas pressure.
Die zweite Phase tritt ein, wenn das Gasvolumen im Tank den inneren offenen Raum innerhalb der Prallbleche überschreitet, was dann der Fall ist, wenn eine bestimmte Menge des flüssigen Treibstoffes entnommen ist. Da das flüssige Hydrazin die Eigenschaft hat, Metalloberflächen in hohem Grade zu benetzen, benetzt die Flüssigkeit die innere Oberfläche 11 des Tanks und die Prallbleche 12 und 14. Die Flüssigkeit, die dazu neigt, sich nach dem Grundsatz der minimalen Oberflächenenergie zu orientieren, bildet Menisken 40 von der in Fig. 4 grundsätzlich dargestellten Form, bei welcher die Trennfläche zwischen Gas und Flüssigkeit minimal ist. Aufgrund ihrer Ober-The second phase occurs when the volume of gas in the tank exceeds the inner open space within the baffles, which is the case when a certain amount of the liquid fuel is withdrawn. As the liquid hydrazine has the property of wetting metal surfaces to a high degree, the liquid wets the inner surface 11 of the Tanks and the baffles 12 and 14. The liquid, which tends to be based on the principle of minimum surface energy To orientate, forms menisci 40 of the shape shown in principle in FIG. 4, in which the interface between Gas and liquid is minimal. Due to their upper
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flächenspannung sucht sich die Flüssigkeit in Bereichen des Tanks zu orientieren, welche das größte Flüssigkeitsvolumen in der kleinsten Oberfläche enthält. Wie in Fig. 2 dargestellt und bereits erläutert worden ist, ist die Oberfläche der Primärprallbleche in der Nähe der Auslaßöffnung 16 am größten. Daher bilden die Oberflächenbereiche in der Nähe der Auslaßöffnung 16 ein größeres Reservoir für das flüssige Hydrazin, welches diese Menisken bildet, als die Teile, wo die Prallbleche kleiner sind. Das allmähliche Anwachsen der Größe der Menisken entlang der Prallbleche oder Trennbleche 12 ist in Fig. 3 durch zwei Bereiche 30 und 32 veranschaulicht. Diese Figur stellt einen Schnitt durch den in Fig. 2 gezeigten Tank in der Schnittebene 3-3 dar, wobei zusätzlich die Flüssigkeitsmenisken eingezeichnet sind.surface tension is what the liquid looks for in areas of the Orientate tanks, which contain the largest volume of liquid in the smallest surface. As shown in FIG and has already been explained, the surface area of the primary baffles in the vicinity of the outlet opening 16 is greatest. Therefore form the surface areas in the vicinity of the outlet opening 16 a larger reservoir for the liquid hydrazine, which this menisci forms than the parts where the baffles are smaller. Gradual growth along the size of the menisci the baffle plates or partitions 12 is illustrated in FIG. 3 by two areas 30 and 32. This figure represents one Section through the tank shown in FIG. 2 in the sectional plane 3-3, the liquid menisci additionally being shown are.
Die Änderung der Größe der Menisken ist durch den relativ größeren Meniskus 32 veranschaulicht, welcher dem größeren Oberflächenbereich (Teil 29) des Primärprallbleches 12 (Fig. 2) entspricht im Vergleich zu dem relativ kleinen Meniskus 30, der sich an dem relativ kleinen Teil 31 der Oberflächenbereiche des Primärprallbleches 12 befindet. Das größere Volumen eines über der Auslaßöffnung 12 orientierten Meniskus stellt sicher, daß genügend Fluidmedium zur Entnahme zur Verfügung steht, so daß die Möglichkeit einer Gasdurchmischung des entnommenen Treibstoffes minimal wird.The change in the size of the menisci is due to the relative the larger meniscus 32, which corresponds to the larger surface area (part 29) of the primary baffle 12 (Fig. 2) corresponds in comparison to the relatively small meniscus 30, which is located on the relatively small part 31 of the surface areas of the primary baffle 12 is located. The larger volume of a meniscus oriented over the outlet opening 12 ensures that sufficient fluid medium is available for removal, so that the possibility of gas mixing of the removed Fuel becomes minimal.
Die Sekundärtrennbleche 14 werden vorgesehen, falls nötig, damit sich ein wesentlich größerer Anteil der Flüssigkeit über der Auslaßöffnung 16 orientiert. Die zusätzlichen Oberflächenbereiche der Trennbleche 14 können zur Verdoppelung der Anzahl der keilförmigen Reservoire 15 für die Flüssigkeit unmittelbar oberhalb der Auslaßöffnung 16 vorgesehen werden. Die Flüssigkeit sucht sich in diese kleineren keilförmigen Reservoire 15 zu konzentrieren, da hierzu kleinere Oberflächen für ein relativ größeres Gesamtflüssigkeitsvolumen benötigt werden. Dieses vergrößerte Flüssigkeitsvolumen in der Nähe der Auslaßöffnung 16 stellt ferner sicher, daß die aus dem Tank herausgedrückteThe secondary dividers 14 are provided, if necessary, so that a significantly larger proportion of the liquid is oriented over the outlet opening 16. The additional surface areas of the separating plates 14 can be used to double the number of wedge-shaped reservoirs 15 for the liquid directly be provided above the outlet opening 16. The liquid looks for itself in these smaller wedge-shaped reservoirs 15 to concentrate, since this requires smaller surfaces for a relatively larger total volume of liquid. This increased volumes of liquid near the outlet port 16 also ensures that the
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Flüssigkeit blasenfrei ist.The liquid is free of bubbles.
Die Sekundärtrennbleche 14 ragen in radialer Richtung von der zwischen der Einlaßöffnung 26. und der Auslaßöffnung 16 gebildeten Achse weg. Diese Sekundärtrennflächen 14 erstrecken sich nur über einen Teil des Umfang's des kugelförmigen Tanks 10. Die am weitesten von der Achse" 13 entfernten Enden 20 sind gemäß Fig, 2 so geneigt, daß sie die größten Obsrflächenbesreiche der Trennbleche 14 nahe der Äusgangsöffnung 16 bilden. Die größeren Flüssigkeitsvolumina, die durch Vergrößerung der Anzahl der Flüssigkeitsreservoire 15 oberhalb der Auslaßöff- !iung 16 aur Verfügung stehen, reduzieren die nachteiligen äußeren Einwirkungen» die durch Beschleunigung ond Vibrationen verursacht werden. Wenn beispielsv?eise eine Äisialkraft «ua£ dan Speicher tank 10 in einer Richtung -wirkt g die mit der gewünschten Flußrichtung äer Flüssigkeit beim Heraustreiben aus den Tank zusammenfällt, ümxn. sucht sich das fluids Medium mit der größeren Trägheit in Sichtung auf die Eingangsöffnung 26 su orientieren. Wenn man also ©Ine genügend große Kraft anwendet, dann sieht sich die Flüssigkeit von der Jmslaßöffnung vollständig zurück,-so aaß in einem soleSisn Falle kein flüssiger Treibstoff .geliefert werden kann? auch wenn er benotigt wird. Ohne die Sekundärtrennbleche 14 bilden die vier primären Trennbleche 12 vier keilförmige Reservoire (±n Form von Quadranten) an der Äuslaßöffnung. Durch Hinzufügen von vier Sekundärtrennbiechen 14 verdoppelt sich die Anzahl der Reservoire», Es sollte also eine geeignete Anzahl von Reservoiren vorgesehen werden, damit sichergestellt wird, daß jede äußere Äxialkraft kompensiert wird, ohne daß die Flüssigkeit sich von der Äuslaßöffnung zurücksieht. The secondary partitions 14 protrude in the radial direction away from the axis formed between the inlet opening 26 and the outlet opening 16. These secondary partitions 14 extend only over part of the circumference of the spherical tank 10. The ends 20 furthest from the axis "13" are inclined according to FIG Larger volumes of liquid, which are available by increasing the number of liquid reservoirs 15 above the outlet opening 16, reduce the adverse external effects caused by acceleration and vibrations one direction - acts g that coincides with the desired direction of flow of the liquid when it is driven out of the tank, the fluid medium with the greater inertia seeks to orient itself in sighting at the inlet opening 26 su the liquid looks back completely from the inlet opening, -so ate in one s oleSisn trap no liquid fuel .can be delivered? even if it is needed. Without the secondary dividers 14, the four primary dividers 12 form four wedge-shaped reservoirs (± n shape of quadrants) at the outlet opening. The addition of four secondary baffles 14 doubles the number of reservoirs. Thus, an appropriate number of reservoirs should be provided to ensure that any external axial force is compensated without the fluid backing up from the outlet port.
Bestimmte Prinzipien des dynamischen Verhaltens von fluiden Medien, welche bei der hier beschriebenen Erfindung ausgenutzt werden, sind in den NASA-Publikationen unter dem Titel "The Dynamic Behavior of Liquids in Moving Containers" von H. Horman Äbranson, insbesondere im Kapitel 11, beschrieben. Danach wird als Maß für die auf eine Flüssigkeit einwirkenden Kräfte eineCertain principles of the dynamic behavior of fluids Media used in the invention described herein are listed in NASA publications under the title "The Dynamic Behavior of Liquids in Moving Containers "by H. Horman Äbranson, especially in Chapter 11. According to this, as a measure of the forces acting on a liquid, a
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dimensionslose Zahl, die Bond Number BQ verwendet. Sie ist ein Maß für die relativen Größen der Schwerkraft und der Kapillarkräfte und stellt einen wichtigen Parameter für die Bezeichnung der kapillarbeherrschten und gravitätsbeherrschten hydrostatischen Verhältnisse dar.dimensionless number using Bond Number B Q. It is a measure of the relative magnitudes of the force of gravity and the capillary forces and represents an important parameter for the designation of the capillary-controlled and gravity-controlled hydrostatic conditions.
Die hauptsächlichen physikalischen Parameter, welche für Kapillarkräfte bei der Flüssigkeitsorientierung von Bedeutung sind, sindThe main physical parameters that are important for capillary forces in liquid orientation are, are
1.) der Benetzungswinkel Θ1.) the wetting angle Θ
2.) die Oberflächenspannung σ2.) the surface tension σ
3.) die Dichte ρ des fluiden Mediums und3.) the density ρ of the fluid medium and
4.) der charakteristische Krümmungsradius r der Kapillare. Der Benetzungswinkel Θ ist ein Maß für die Benetzbarkeit eines festen Körpers durch eine Flüssigkeit. Die Benetzbarkeit beträgt in einem System mit einem flüssigen Treibstoff wie Hydrazin in einem nichtrostenden Stahlbehälter praktisch 100%.4.) the characteristic radius of curvature r of the capillary. The wetting angle Θ is a measure of the wettability of a solid body through a liquid. The wettability in a system with a liquid fuel is like Hydrazine in a stainless steel container practically 100%.
Für kleinere Bond-Zahlen B als eins herrschen die Kapillarkräfte vor, und daher bleibt die Flüssigkeit in ihrer ursprünglichen Lage und wirkt damit äußeren Kräften entgegen. Ist die Bond-Zahl dagegen größer als eins, dann reorientiert sich die Flüssigkeit und sucht sich in entgegengesetzter Richtung wie die äußeren Kräfte zu bewegen. Eine Kraft, die von außen auf den Treibstofftank einwirken kann, ohne die Kapillarausbildung der Menisken zu zerstören, ist umgekehrt proportional dem Krümmungsradius des Kapillarmeniskus. Sieht man eine größere Anzahl von Sekundärtrennblechen vor, so daß die Nummer der keilförmigen Reservoire erhöht wird, dann verringert sich der Kapillarradius und vergrößert sich die Flussigkeitshaltefähigkeit der Kapillareinbauten, so daß die Flüssigkeit über der Auslaßöffnung zusammengehalten wird. For bond numbers B smaller than one, the capillary forces prevail before, and therefore the liquid remains in its original position and thus counteracts external forces. Is the Bond number, on the other hand, is greater than one, then the reorientates itself Fluid and tries to move in the opposite direction as the external forces. A force that comes from outside the fuel tank can act without the capillary formation Destroying the menisci is inversely proportional to that Radius of curvature of the capillary meniscus. If you see a bigger one Number of secondary dividers in front, so that the number of the wedge-shaped Reservoirs is increased, then the capillary radius decreases and the fluid holding capacity increases the capillary internals so that the liquid is held together above the outlet opening.
Wird der Treibstofftank 10 Vibrationen ausgesetzt, dann wird die Trennfläche zwischen Gas und Flüssigkeit zerstört, so daß Gas in die Flüssigkeit eindringen und in ihr Gasblasen bilden kann. Fehlt die Schwerkraft oder andere äußere Kräfte, dann verbleiben die Gasbiasen in der Flüssigkeit. Um zu verhindern,If the fuel tank 10 is subjected to vibrations, then the interface between gas and liquid is destroyed, so that gas penetrate the liquid and form gas bubbles in it can. In the absence of gravity or other external forces, the gas biases remain in the liquid. To prevent,
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daß solche Blasen durch die Auslaßöffnung 16 aus den Tank hinausgelangen, ist bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Treibstofftanks der Zylinder 18 vorgesehen, der, wie bereits erwähnt, aus durchlöchertem Material besteht und vorzugsweise durch ein Sieb aus nichtrostendem Stahl gebildet wird und der als Gassperre gegenüber in der Flüssigkeit enthaltenen Gasblasen unter Ausnutzung der Kapillarwirkung eines benetzten Siebes dient. Ein benetztes Sieb hindert Gasblasen am Durchtritt durch die Sieböffnungen, welche mit Flüssigkeit benetzt sind, deren Oberflächenspannung ausreichend groß ist, um Druckgas am Durchtritt zu hindern. Der Zylinder 18 ist über der Auslaßöffnung 16 angeordnet und umschließt diese vollständig, so daß die aus dem Tank gedrückte Flüssigkeit nicht mit dem Druckgas vermischt ist.that such bubbles get out through the outlet opening 16 from the tank, is in the inventive design of the Fuel tanks of the cylinder 18 provided, as already mentioned, consists of perforated material and is preferably formed by a screen made of stainless steel and the as a gas barrier against gas bubbles contained in the liquid using the capillary action of a wetted Serves sieve. A wetted sieve prevents gas bubbles from passing through the sieve openings, which are wetted with liquid whose surface tension is sufficiently large to prevent compressed gas from passing through. The cylinder 18 is above the exhaust port 16 arranged and encloses this completely, so that the liquid pressed out of the tank does not come with the pressurized gas is mixed.
Der hier beschriebene Behälter ist nicht auf die Verwendung bei geringer oder fehlender Schwerkraft beschränkt. Durch Abstimmung der Dichten zweier nichtmischbarer Flüssigkeiten bildet sich infolge der Oberflächenspannungskräfte eine Trennschicht zwischen den Flüssigkeiten aus, wie es im Falle fehlender Schwerkraft oder im Weltraum der Fall ist. Es ist bekannt, daß die Bond-Zahl gegen null geht, wenn die Dichte der beiden Flüssigkeiten übereinstimmt.The container described here is not limited to use with little or no gravity. By Matching the densities of two immiscible liquids, a separating layer forms as a result of the surface tension forces between the fluids, as is the case in the absence of gravity or in space. It is known, that the bond number goes to zero when the density of the two liquids match.
Sorgt man dafür, daß die Bond-Zahl BQ durch entsprechende Wahl der physikalischen Parameter sehr klein oder auch null ist, indem man die relativen Dichten der beiden Flüssigkeiten etwa gleich macht, dann herrschen die Kapillarkräfte (Oberflächenspannung) vor, während die äußeren Kräfte nur wenig oder gar keine Wirkung auf die Trennfläche zwischen den Flüssigkeiten hat.If you make sure that the bond number B Q is very small or even zero by appropriate choice of the physical parameters, by making the relative densities of the two liquids approximately the same, then the capillary forces (surface tension) predominate, while the external forces only has little or no effect on the interface between liquids.
Durch einen Abgleich der Dichten zweier nichtmischbarer Flüssigkeiten innerhalb des Tanks 10 läßt sich ein Zustand "neutralen Auftriebs" erreichen, bei welchem an der Trennfläche der Flüssigkeiten keine Schwerkraftwirkung auftritt. Der hier beschriebene Tank eignet sich also auch für die Ver-By comparing the densities of two immiscible liquids within the tank 10, a state Achieve "neutral buoyancy" in which there is no gravitational effect at the interface between the liquids. The tank described here is therefore also suitable for
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wendung zweier Flüssigkeiten gleicher Dichte in unterschiedlichen Beschleunigungsfeldern.application of two liquids of the same density in different Acceleration fields.
Die üblichste Technik zur Prüfung der Wirkungsweise von Geräten bei geringer oder fehlender Schwerkraft sind Freifall-Versuche. Hierbei läßt man das zu testende Gerät, also in diesem Falle den Tank, aus einer vorbestimmten Höhe ohne störende weitere Einflüsse zur Erde fallen. Da alle Teile des Gerätes in der gleichen Weise beschleunigt werden sind die relativen schwerkraftbedingten Kräfte zwischen Flüssigkeit, Gas und Behälter null. Das Testverfahren bei freiem Fall läßt sich sowohl unter statischen als auch unter dynamischen Bedingungen durchführen. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch in der beschränkten Testzeit, die zwischen den Höhenpegeln, zwischen denen der freie Fall erfolgt, nur zur Verfügung steht. Eine Hohe von ungefähr 30 m ergibt eine Zeit des freien Falls von nur 2,6 s. Die erforderliche Zeit für die Umorientierung einer Flüssigkeit aus dem ursprünglichen Zustand unter Schwerkraft von ein g bis zum Schwerkraftszustand geringer Erdbeschleunigung ist so kurz, daß die auf diese Weise testbaren Modelle in ihrer Größe zu stark beschränkt werden.The most common technique for testing the effectiveness of Devices with little or no gravity are free-fall attempts. In this case, the device to be tested, that is to say in this case the tank, is left from a predetermined height without disturbing further influences fall to earth. Since all parts of the device are accelerated in the same way, the relative gravitational forces between liquid, gas and container zero. The free fall test method leaves perform under both static and dynamic conditions. There is a disadvantage to this method however, in the limited test time between the altitude levels between which the free fall occurs, only available stands. A height of about 30 m gives a time of free fall of only 2.6 s, the time required for a fluid to reorient from its original state under gravity from one g to the state of gravity lower gravitational acceleration is so short that its that way testable models are too limited in size.
Ein brauchbareres Verfahren zur Simulierung eines Zustandes der Schwerkraft null oder zur Inbetriebnahme des hier beschriebenen Behälters unter der Schwerkraft ein g ist die bereits angedeutete Technik des "neutralen Auftriebs". Diese Technik läßt sich auch zur Demonstration bestimmter dynamischer Charakteristika eines Systems für den Fall geringer Gravitation durch entsprechende Wahl der Fehlanpassung der Dichten der beiden Flüssigkeiten anwenden. Das Verfahren des neutralen Auftriebs läßt sich so durchführen, daß man den Tank aus Glas oder Metall (vorzugsweise nichtrostender Stahl) herstellt. Die inneren Oberflächen des Tanks und die Prallbleche werden mit einem nichtadhäsiven Material wie Plastik etwa in Form von Tetrafluoräthylen CC2F4) beschichtet. Als Flüssigkeit wird Wasser und eine Lösung von Chloroform und Hexan verwendet. Hierbei benetzt die Lösung von Chloroform und Hexan vorzugsweise dieA more useful method for simulating a state of zero gravity or for putting the container described here into operation under gravity a g is the technique of "neutral buoyancy" already indicated. This technique can also be used to demonstrate certain dynamic characteristics of a system in the case of low gravity by selecting the mismatch between the densities of the two liquids. The neutral buoyancy process can be carried out by making the tank from glass or metal (preferably stainless steel). The inner surfaces of the tank and the baffles are coated with a non-adhesive material such as plastic in the form of tetrafluoroethylene CC 2 F 4 ). The liquid used is water and a solution of chloroform and hexane. The solution of chloroform and hexane preferably wets the
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Oberfläche der Trennbleche und des Tanks. An der Trennfläche der beiden Flüssigkeiten stellt sich ein Berührungswinkel von nahezu null ein. Der Tetrafluoräthylenfilm ist besonders zweckmäßig, da er durchsichtig ist und eine direkte Beobachtung des Speichertanks im simulierten Betrieb erlaubt.Surface of the dividers and the tank. At the interface between the two liquids there is an angle of contact of almost zero one. The tetrafluoroethylene film is particularly useful because it is transparent and allows direct observation of the storage tank in simulated operation.
Die Chloroform/Hexan-Lösung wird zu einer Dichte gemischt, welche etwa mit derjenigen des Wassers übereinstimmt, und die beiden Flüssigkeiten werden im gewünschten Verhältnis, normalerweise 60% Wasser, in den Tank eingefüllt. Die endgültige Dichte dieses Flüssigkeitssystems läßt sich genau einstellen, indem man Tropfen entweder des dichteren Chloroforms oder des weniger dichten Hexans zugibt, bis keiner der flüssigen Bestandteile mehr eine Tendenz zum Hochkriechen zeigt. In diesem Zustand ändert sich die Trennfläche nicht mit ihrer Orientierung im Raum. Da die Dichten der beiden Flüssigkeiten sich mit der Temperatur unterschiedlich ändern, führen Wärmegradienten in der Umgebung des Systems zu Dichteunterschieden und zu einer Zerstörung der Trennfläche. Für Simulationen niedriger Gravitation reicht es jedoch aus, wenn die Umgebungstemperatur innerhalb weniger Grade konstantgehalten wird, wie es in den meisten Fällen für die Raumtemperatur ohnehin gilt.The chloroform / hexane solution is mixed to a density approximately equal to that of the water, and the Both liquids are in the desired ratio, usually 60% water, filled into the tank. The final density of this liquid system can be precisely adjusted by add drops of either the more dense chloroform or the less dense hexane until none of the liquid ingredients shows more of a tendency to crawl up. In this state, the interface does not change with its orientation in the Space. Since the densities of the two liquids change differently with temperature, thermal gradients result in the environment of the system to density differences and to a destruction of the interface. For low gravity simulations however, it is sufficient if the ambient temperature is kept constant within a few degrees, as it is in most Cases for the room temperature applies anyway.
Abgesehen von dieser unerwünschten Wirkung thermischer Gradienten läßt sich eine thermischbedingte Dichtenveränderung aber auch vorteilhaft ausnutzen. Eine in ihrer Temperatur kontrollierte Kammer läßt sich zur Simulierung von Umweltzuständen niedriger Dichte, wie sie während der Antriebsintervalle eines Raumfahrzeuges auftreten, zum Testen des hier beschriebenen Tanks ausnutzen. Durch Erhöhung oder Erniedrigung der Temperatur können geringe Beschleunigungskräfte simuliert werden. Die effektive Beschleunigung oder der nachgebildete Gravitationswert läßt sich kalibrieren durch Verwendung einer Bezugstrennfläche derselben Flüssigkeiten im geraden Abschnitt eines Zylinders. Beide werden in einer temperaturgeregelten Kammer aufgestellt, und die Temperatur wird auf verschiedene Werte eingestellt. Durch Vergleich der Meniskusform im Bezugs-Apart from this undesirable effect of thermal gradients, there can be a thermally induced change in density but also take advantage of it. A chamber whose temperature is controlled can be used to simulate environmental conditions low density, such as occur during the propulsion intervals of a spacecraft, for testing the one described herein Exploiting tanks. Low acceleration forces can be simulated by increasing or decreasing the temperature will. The effective acceleration or the simulated gravitation value can be calibrated using a Reference interface of the same fluids in the straight section of a cylinder. Both are placed in a temperature-controlled chamber, and the temperature is set to different ones Values set. By comparing the meniscus shape in the reference
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zylinder mit einem bekannten Verlauf der Bond-Zahl B läßt sich der effektive Gravitätswert oder die Beschleunigungskraft bestimmen. Mit diesem Verfahren des neutralen Auftriebs, gemäß der Erfindung, kann auch die statische Trennfläche demonstriert werden, welche während Druckperioden oder anderen Störungsperioden bei der Durchführung der Aufgaben des Raumfahrzeugs auftreten.cylinder with a known course of the bond number B, the effective gravity value or the acceleration force can be determined. With this method of neutral buoyancy, according to the invention, the static separation surface can also be demonstrated which during periods of pressure or other periods of disruption in the performance of the tasks of the spacecraft appear.
Der vorstehend beschriebene Speichertank für in zwei Phasen vorliegende fluide Medien erlaubt die kontinuierliche Entnahme der Medien bis zur Entleerung des Behälters. Trennbleche sorgen zusammen mit der Innenfläche des Tanks für einen Fließweg für das fluide Medium, so daß dieses dort bevorzugt zu einer Auslaßöffnung fließt, wenn es benötigt wird. Dadurch, daß die Benetzungsfähigkeit des benötigten fluiden Mediums größer als die Benetzfähigkeit des anderen fluiden Mediums ist, bildet sich eine optimale Trennflächenform zwischen den beiden Medien infolge von Kapillarwirkungseigenschaften aus. Wenn das fluide Medium vollständig entnommen worden ist, nimmt die Trennfläche die Form von Menisken an den Schnittpunkten der Trennbleche mit dem Behälter ein. Die größeren Trennblechflächen, welche sich näher an der Auslaßöffnung befinden, bilden größere Reservoirs für die Flüssigkeit in der Nähe der Auslaßöffnung. Für die Benutzung des Tanks bei geringer oder gar keiner Schwerkraft, also etwa für Satellitenzwecke, ist die benötigte Flüssigkeit ein Treibstoff wie Hydrazin, und das andere Medium ist ein Druckgas wie Stickstoff.Die beiden Medien mischen sich nicht, und ihre relativen Dichten haben keinen Einfluß auf die Trennfläche. Für die Verwendung unter Einfluß der Schwerkraft ist es erforderlich, daß die fluiden Medien praktisch die gleichen Dichten haben, so daß die Wirkung der Schwerkraft aufgehoben wird. Die zu entnehmende Flüssigkeit hat vorzugsweise eine größere Benetzungsfähigkeit als das andere sich nicht vermischende Medium, welches nur zum Heraustreiben der benötigten Flüssigkeit dient, wobei bevorzugte BenetzungseigenschaftenThe storage tank described above for in two phases The presence of fluid media allows the media to be withdrawn continuously until the container is emptied. Provide dividers together with the inner surface of the tank for a flow path for the fluid medium, so that this preferably leads to an outlet opening there flows when it is needed. The fact that the wettability of the fluid medium required is greater than is the wettability of the other fluid medium, an optimal interface shape is formed between the two media as a result from capillary action properties. When the fluid medium has been completely removed, the interface increases the shape of menisci at the intersections of the dividing plates with the container. The larger divider surfaces, which are closer to the outlet port form larger reservoirs for the liquid near the outlet port. For use of the tank with little or no gravity, e.g. for satellite purposes, is the required liquid one fuel like hydrazine, and the other medium is one Pressurized gas such as nitrogen. The two media do not mix, and their relative densities have no effect on the interface. For use under the influence of gravity it is it is necessary that the fluid media are practically the same Have densities so that the effect of gravity is canceled. The liquid to be withdrawn preferably has a greater wettability than the other non-mixing Medium which only serves to drive out the required liquid, with preferred wetting properties
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gegenüber Tank- und Trennblechoberflächen vorliegen müssen. So muß die benötigte Flüssigkeit eine wesentlich bessere Benetzungsfähigkeit gegenüber diesen Oberflächen haben als die Benetzungsfähigkeit des anderen Mediums.must be present across the tank and partition plate surfaces. So the required liquid must have a much better wetting ability with respect to these surfaces than that Wetting ability of the other medium.
Wenn die Erfindung auch hauptsächlich für die Verwendung als Vorratstank für einen Treibstoff für Satelliten gedacht ist, so versteht es sich, daß er auch in der beschriebenen Weise zur Speicherung eines ausgewählten von zwei fluiden Medien Verwendung finden kann.Although the invention is primarily intended for use as a fuel storage tank for satellites is, it goes without saying that it can also be used in the manner described for storing a selected one of two fluids Media can be used.
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